[发明专利]低温烧结氧化锆透明陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，特别涉及低温烧结氧化锆透明陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

20世纪60年代以前，根据传统概念一般认为陶瓷材料是不透明的，自从1962年Coble制备出透明氧化铝(Al₂O₃)陶瓷以来，打破了这一传统概念，也开辟了陶瓷新的应用领域。透明陶瓷一般是指：无机粉末坯体经过烧结成陶瓷后，具有一定的透明度，当1mm厚的抛光材料透光率大于40％，可称其为透明陶瓷。随着照明技术、光学技术、特种仪器制造、无线电子学、信息探测、高温技术以及军事工业的发展，需要有大量高性能的光学功能材料来提供关键的物质基础。由于陶瓷材料具有耐高温、硬度高、优良的化学稳定性、优异的机械性能和光学性能、良好的热冲击性能、耐磨蚀与腐蚀、宽范围透光特性等独特优势，透明陶瓷材料越来越显现出广阔的应用前景，日益受到人们的关注，发展势头十分迅猛。由于材料制备方法的不断进步和创新，人们可以制造出越来越多的透明陶瓷材料。

陶瓷属于多晶多相材料，其中可能存在气孔、晶界、杂质等缺陷，会造成光的散射和折射，普通陶瓷由于对光有很强的散射，因而是不透明的。要使陶瓷材料具有透光性，应消除造成光散射的各种因素，综合起来应具备如下性质：(1)致密度高(达理论密度99.5％以上)；(2)晶界上不存在空隙，如有，其尺寸应比波长小；(3)晶界上没有杂质及玻璃相，或晶界的光学性质与晶粒之间差别很小；(4)晶粒小而且均匀；(5)晶体入射光的选择吸收很小；(6)无光学各向异性，晶体结构是立方晶系；(7)表面光洁度高。

大量研究结果表明，影响陶瓷透明性的主要因素有以下几个方面。

(1)制备因素的影响。主要有原料与添加剂、晶界结构、气孔率、烧成气氛、表面加工光洁度等。

(2)本征因素的影响。多数陶瓷材料属于电介质多晶体，这种多晶体一般有两个重要的共振区产生吸收光谱带。其中之一是束缚电子跃迁产生的本征吸收带。当光子能量hv＞E_g(禁带宽度)时，电子吸收光子从价带激发到导带上。因此，禁带宽度越大，紫外吸收端的截止波长就越小。而对于杂质引起的吸收比E_g小很多的光子能量，则可将电子和空穴分别激发到导带和价带上。由此可见，原子的结合力越大，原子质量越小，则振动频率越高，红外截止波长越小，否则截止波长就越大。因此，一般来说，材料的透波范围多数情况是包含可见光的范围，如果可见光不在这个透波范围，那么材料的本性已经决定在可见光范围内不能透明的。介质透过率高低，也就是介质吸收的光波能量的多少，不仅与介质的电子的能带结构有关，还与光程有关，也就是还与光穿过的介质厚度有关。

(3)环境温度的影响。陶瓷材料可理解为通过晶界把晶粒无序结合在一起的多晶体，有些材料如半导体材料，如果环境温度升高到足够的程度，在导带中的热激发电子能够吸收较少的能量，从而在导带内进入更高的能态，使得电子在足够的温度下能够有更多的机率进入导带，这就使得紫外截至波段随着温度向长波长方向移动，即所谓的红移趋势。对于透明材料的红外截止波段，随着温度的升高而使原子能量增大，原子的振动频率增大，因而共振吸收截止频率增大，因此红外截止波长缩短，具有蓝移的趋势。

透明陶瓷制备工艺表面看似与普通陶瓷并无太大区别，但是从技术上看二者有显著不同，前者比后者对工艺上的要求要严格得多。透明陶瓷制备过程中最重要的步骤是粉体制备和烧结工艺，尽量减少造成光散射和吸收的因素，如气孔率、晶界、杂质等缺陷。

透明陶瓷粉料有多种制备方法，主要有固相法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、自蔓延法等。通过物理气相沉积和化学气相沉积可以获得透明的陶瓷薄膜。普通陶瓷的各种成型方法都可用来成型块体透明陶瓷，目前用得较多的仍是干压成型和等静压成型。

要得到致密的、气孔率低的透明陶瓷，对烧结技术要求很高，必须采用不同于普通陶瓷的特殊烧结工艺。透明陶瓷的烧结方法多种多样，最常用的是常压烧结，这种方法成本低，是最普通的烧结方法。除此之外，人们还采用其他特种烧结方法，如热压烧结、气氛烧结、微波烧结、真空烧结以及放电等离子烧结技术。